第四章 二元相图

第四章二元相图相：（概念回顾）相图：描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的图解。

二元相图：第一节相图的基本知识1 相律相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。

表达式：f=c-p+2; 压力一定时，f=c-p+1。

应用可确定系统中可能存在的最多平衡相数。

如单元系2个，二元系3个。

可以解释纯金属与二元合金的结晶差别。

纯金属结晶恒温进行，二元合金变温进行。

2 相图的表示与建立状态与成分表示法状态表示：温度－成分坐标系。

坐标系中的点－表象点。

成分表示：质量分数或摩尔分数。

相图的建立方法：实验法和计算法。

过程：配制合金－测冷却曲线－确定转变温度－填入坐标－绘出曲线。

相图结构：两点、两线、三区。

3 杠杆定律平衡相成分的确定（根据相率，若温度一定，则自由度为0，平衡相成分随之确定。

）数值确定：直接测量计算或投影到成分轴测量计算。

注意：只适用于两相区；三点（支点和端点）要选准。

第二节二元匀晶相图1 匀晶相同及其分析匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。

匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。

相图分析（以Cu-Ni相图为例）两点：纯组元的熔点；两线：L, S相线；三区：L, α, L+α。

2 固溶体合金的平衡结晶平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过程。

平衡结晶过程分析①冷却曲线：温度－时间曲线；②相（组织）与相变（各温区相的类型、相变反应式，杠杆定律应用。

）；③组织示意图；④成分均匀化：每时刻结晶出的固溶体的成分不同。

与纯金属结晶的比较相同点：基本过程：形核－长大；热力学条件：⊿T>0；能量条件：能量起伏；结构条件：结构起伏。

②不同点：合金在一个温度范围内结晶（可能性：相率分析，必要性：成分均匀化。

）合金结晶是选分结晶：需成分起伏。

3 固溶体的不平衡结晶原因：冷速快（假设液相成分均匀、固相成分不均匀）。

结晶过程特点：固相成分按平均成分线变化（但每一时刻符合相图）；结晶的温度范围增大；组织多为树枝状。

成分偏析：晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀现象。

枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象。

（消除：扩散退火，在低于固相线温度长时间保温。

）4 稳态凝固时的溶质分布（1）稳态凝固：从液固界面输出溶质速度等于溶质从边界层扩散出去速度的凝固过程。

（2）平衡分配系数：在一定温度下，固、液两平衡相中溶质浓度的比值。

k0=C s/C l（3）溶质分布：液、固相内溶质完全混合（平衡凝固）－a;固相不混合、液相完全混合－b;固相不混合、液相完全不混合－c；固相不混合、液相部分混合－d。

区域熔炼（上述溶质分布规律的应用）5 成分过冷及其对晶体生长形态的影响成分过冷：由成分变化与实际温度分布共同决定的过冷。

形成：界面溶质浓度从高到低－液相线温度从低到高。

（图示：溶质分布曲线－匀晶相图－液相线温度分布曲线－实际温度分布曲线－成分过冷区。

）（3）成分过冷形成的条件和影响因素条件：G/R<mC0(1-k0)/Dk0合金固有参数：m, k0;实验可控参数：G, R。

（4）成分过冷对生长形态的影响（正温度梯度下）G越大，成分过冷越大－生长形态：平面状－胞状－树枝状。

第三节二元共晶相图及合金凝固共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。

共晶相图：具有共晶转变特征的相图。

（液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。

共晶组织：共晶转变产物。

（是两相混合物）1 相图分析（相图三要素）点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点（是亚共晶、过共晶成分分界点）等。

线：结晶开始、结束线；溶解度曲线；共晶线等。

区：3个单相区；3个两相区；1个三相区。

2 合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）Wsn<19％的合金①凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。

②二次相（次生相）的生成：脱溶转变（二次析出或二次再结晶）。

③室温组织（α＋βⅡ）及其相对量计算。

共晶合金①凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。

共晶线上两相的相对量计算。

室温组织（α＋β＋αⅡ＋βⅡ）及其相对量计算。

亚共晶合金①凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。

②共晶线上两相的相对量计算。

③室温组织（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相对量计算。

组织组成物与组织图组织组成物：组成材料显微组织的各个不同本质和形态的部分。

组织图：用组织组成物填写的相图。

3 不平衡结晶及其组织伪共晶①伪共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶组织。

②形成原因：不平衡结晶。

成分位于共晶点附近。

③不平衡组织由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织。

共晶成分的合金得到的亚、过共晶组织。

（伪共晶区偏移）不平衡共晶不平衡共晶：位于共晶线以外成分的合金发生共晶反应而形成的组织。

原因：不平衡结晶。

成分位于共晶线以外端点附件。

离异共晶离异共晶：两相分离的共晶组织。

形成原因平衡条件下，成分位于共晶线上两端点附近。

不平衡条件下，成分位于共晶线外两端点附。

消除：扩散退火。

4 共晶组织的形成共晶体的形成成分互惠－交替形核片间搭桥－促进生长两相交替分布共晶组织共晶体的形态粗糙－粗糙界面：层片状（一般情况）、棒状、纤维状（一相数量明显少于另一相）粗糙－平滑界面：具有不规则或复杂组织形态（由于两相微观结构不同）所需动态过冷度不同，金属相任意长大，另一相在其间隙长大。

可得到球状、针状、花朵状、树枝状共晶体。

非金属相与液相成分差别大。

形成较大成分过冷，率先长大，形成针状、骨骼状、螺旋状、蜘蛛网状的共晶体。

初生晶的形态：金属固溶体：粗糙界面－树枝状；非金属相：平滑界面－规则多面体。

第四节二元包晶相图包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变。

包晶相图：具有包晶转变特征的相图。

1 相图分析点、线、区。

2 平衡结晶过程及其组织包晶合金的结晶结晶过程：包晶线以下，L, α对β过饱和－界面生成β－三相间存在浓度梯度－扩散－β长大－全部转变为β。

室温组织：β或β＋αⅡ。

成分在C-D之间合金的结晶结晶过程：α剩余；室温组织：α＋β＋αⅡ＋βⅡ。

3 不平衡结晶及其组织异常α相导致包晶偏析〔包晶转变要经β扩散。

包晶偏析：因包晶转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象。

〕异常β相由不平衡包晶转变引起。

成分在靠近固相、包晶线以外端点附件。

4 包晶转变的应用组织设计：如轴承合金需要的软基体上分布硬质点的组织。

晶粒细化。

第五节其它类型的二元相图自学内容第六节铁碳合金相图一二元相图的分析和使用二元相图中的几何规律①相邻相区的相数差1（点接触除外）－相区接触法则；②三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡相的成分点。

③若两个三相区中有2个相同的相，则两水平线之间必是由这两相组成的两相区。

④单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区。

相图分析步骤①以稳定的化合物分割相图；②确定各点、线、区的意义；③分析具体合金的结晶过程及其组织变化注：虚线、点划线的意义－尚未准确确定的数据、磁学转变线、有序－无序转变线。

相图与合金性能的关系根据相图判断材料的力学和物理性能根据相图判断材料的工艺性能铸造性能：根据液固相线之间的距离XX越大，成分偏析越严重（因为液固相成分差别大）；X越大，流动性越差（因为枝晶发达）；X越大，热裂倾向越大（因为液固两相共存的温区大）。

塑性加工性能：选择具有单相固溶体区的合金。

热处理性能：选择具有固态相变或固溶度变化的合金。

二铁－碳合金相图1组元和相（1）组元：铁－石墨相图：Fe,C;铁－渗碳体相图：Fe-Fe3C。

相：L, δ, A(γ), F(α), Fe3C(K)。

（其定义）2相图分析点：16个。

线：两条磁性转变线；三条等温转变线；其余三条线：GS,ES,PQ。

区：5个单相区，7个两相区，3个三相区。

相图标注：相组成物标注的相图。

组织组成物标注的相图。

3 合金分类：工业纯钛（C%<0.0218%）、碳钢（0.0218<C%<2.11%）、铸铁（C%>2.11%）4平衡结晶过程及其组织典型合金（7种）的平衡结晶过程、组织变化、室温组织及其相对量计算。

重要问题：Fe3CⅠ, Fe3CⅡ, Fe3CⅢ的意义及其最大含量计算。

L d-L d`转变。

二次杠杆的应用。

5 含碳量对平衡组织和性能的影响对平衡组织的影响（随C%提高）组织：α＋Fe3CⅢL d`＋Fe3CⅠ；相：α减少，Fe3C增多；Fe3C形态：Fe3CⅢ（薄网状、点状）共析Fe3C（层片状） Fe3CⅡ（网状）共晶Fe3C（基体） Fe3CⅠ（粗大片状）。

对力学性能的影响强度、硬度升高，塑韧性下降。

对工艺性能的影响适合锻造：C%<2.11%，可得到单相组织。

适合铸造：C%～4.3%。

，流动性好。

适合冷塑变：C%<0.25%，变形阻力小。

适合热处理：0.0218~2.11，有固态相变。

第七节相图的热力学解释图示讲解第八节铸锭组织及其控制1 铸锭组织铸锭三区：表层细晶区、柱状晶区、中心等轴晶区。

组织控制：受浇铸温度、冷却速度、化学成分、变质处理、机械振动与搅拌等因素影响。

2 铸锭缺陷微观偏析宏观偏析正偏析反偏析比重偏析夹杂与气孔夹杂：外来夹杂和内生夹杂。

气孔：析出型和反应型。

缩孔和疏松形成：凝固时体积缩小－补缩不足－形成缩孔。

分类：集中缩孔（缩孔、缩管）和分散缩孔（疏松，枝晶骨架相遇，封闭液体，造成补缩困难形成。

）。